貧燃預(yù)混湍流分層火焰的大渦模擬研究.pdf

1、為了降低NOx和CO的排放，貧燃狀態(tài)下的預(yù)混合燃燒成為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ娜紵夹g(shù)。然而由于化學(xué)當(dāng)量比接近貧燃熄火極限，貧燃預(yù)混燃燒容易發(fā)生回火、熄火或者熱—聲耦合等燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。分層燃燒即當(dāng)量比非均勻分布的燃燒方式，通過(guò)在點(diǎn)火點(diǎn)附近形成當(dāng)量比接近于1的濃混合氣，由濃混合氣引發(fā)的火焰引燃周圍的稀混合氣，可以有效的改善上述問(wèn)題。
　　相比于純粹的擴(kuò)散燃燒和預(yù)混合燃燒，人們對(duì)分層燃燒的了解還很不夠。近年來(lái)，德國(guó)Darmstadt大學(xué)的

2、Sefrin等精心設(shè)計(jì)了一套新穎的甲烷/空氣湍流分層燃燒器，對(duì)多種燃燒狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為湍流燃燒模型的發(fā)展和驗(yàn)證提供了參考依據(jù)。本文為了研究分層燃燒特性及驗(yàn)證亞網(wǎng)格燃燒模型的準(zhǔn)確性，對(duì)Darmstadt湍流分層火焰的兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行了大渦模擬(LES)計(jì)算。
　　本研究采用的是基于反應(yīng)—擴(kuò)散流形技術(shù)(REDIM)與假定概率密度函數(shù)(PPDF)相結(jié)合的亞網(wǎng)格燃燒模型。REDIM技術(shù)簡(jiǎn)化詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的同時(shí)明確地考慮了化學(xué)反應(yīng)與分子輸運(yùn)

3、過(guò)程的耦合，因此既可以描述快速反應(yīng)狀態(tài)，也可以描述化學(xué)反應(yīng)緩慢而由擴(kuò)散過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)作用的慢速反應(yīng)狀態(tài)。理論上，REDIM完全適用于描述湍流分層燃燒的各個(gè)狀態(tài)。本研究中，REDIM采用的是二維的簡(jiǎn)化坐標(biāo)系:N2和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別代表混合過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)熱力學(xué)查詢表可確定其它熱力學(xué)變量，如CH4，CO，OH等組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及密度、溫度和CO2的生成速率等。在PPDF方法中，依據(jù)N2和CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值和方差建立概率密度

4、函數(shù)，通過(guò)概率積分將上述二維REDIM表轉(zhuǎn)化為四維REDIM表，用于后續(xù)的LES模擬研究。
　　針對(duì)Darmstadt分層燃燒器，合理簡(jiǎn)化了幾何模型并確定了計(jì)算域，利用ICEM-CFD進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。分別采用多種網(wǎng)格對(duì)等溫湍流狀態(tài)進(jìn)行了LES計(jì)算，驗(yàn)證幾何模型簡(jiǎn)化的合理性并分析網(wǎng)格分辨率對(duì)于計(jì)算的影響。隨后，采用粗、細(xì)兩種網(wǎng)格計(jì)算了湍流分層燃燒狀態(tài)。將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，得到的速度、溫度及主要組分的變化趨勢(shì)總體上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常

5、吻合，證明亞網(wǎng)格燃燒模型準(zhǔn)確可靠。但是在燃燒器出口處由于沒(méi)有考慮熱量散失，計(jì)算得到的溫度偏高。同時(shí)，在火焰的頂端范圍（大約100 mm＜ x＜150 mm處），火焰與湍流場(chǎng)的相互作用尤為復(fù)雜，要求解此處的湍流場(chǎng)必須保證足夠高的網(wǎng)格精度。
　　在此基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算得到的三維瞬時(shí)流場(chǎng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在上游靠近管道出口處喇叭形的火焰面與可燃?xì)猱?dāng)量比的等值線以一個(gè)小角度相交叉。在軸向位置x=50 mm處，火焰面很皺褶，同時(shí)存在fron